Каждый, кто с нынешнего мая окажется в Маунтин-Вью (Калифорния), может своими глазами увидеть, как функционировали первые калькуляторы — огромные по нынешним меркам устройства со множеством деталей и сложных передач, работавшие на мускульной силе.
В Музее компьютерной истории воссоздали механический калькулятор по проекту британского математика Чарльза Бэббиджа. Машина, которую Бэббидж в свое время назвал Difference Engine No. 2, представляла собой усовершенствованную версию его более раннего цифрового калькулятора.
Бэббидж завершил работу над чертежами своей машины в конце 1840-х годов, однако впервые изготовлена она была только в 1991 году. В Лондонском музее науки имеется единственный экземпляр калькулятора, реализованный в полном соответствии с проектом. Он выполнен по оригинальным чертежам Бэббиджа, имеет 3,3 метра в длину, чуть больше 2 метров в высоту, 8 тыс. бронзовых деталей, множество стальных и металлических элементов и весит около 3 тонн. Работа над проектом заняла одиннадцать лет.
Когда калькулятор работает, его можно принять за гигантскую шарманку.
Модель, созданная в Америке, — это второй экземпляр, воплощающий планы Бэббиджа. Работу заказал и оплатил миллионер Натан Мирволд, длительное время занимавший руководящие посты в корпорации Microsoft.
Мирволд и Дорон Свейд, много лет изучавшие работы Бэббиджа и курировавшие еще лондонский проект, 1 мая выступили в Музее компьютерной истории в Маунтин-Вью. Официальное открытие экспозиции Difference Engine состоится 10 мая. Впрочем, Difference Engine — далеко не самый старый калькулятор на свете. В конце 2006 года международная группа ученых обнародовала детали исследования астрономического калькулятора Antikythera Mechanism (см. «Тайна древнего калькулятора», Computerworld Россия, № 16, 2008), который насчитывает 2100 лет. В нем использовались 37 обработанных с высочайшей точностью бронзовых деталей, и он мог точно определять текущую позицию Солнца, Луны и их фазы, а также, возможно, прогнозировать время нахождения в определенных точках эклиптики.
А что, собственно, означает термин «разностная машина»? Расчет тригонометрических таблиц, используемых для решения целого ряда навигационных, инженерных и научных задач, когда-то выполнялся вручную, после чего квалифицированные математики отправляли свои выкладки менее искушенным специалистам, которых называли «калькуляторы», и они производили вручную все арифметические расчеты. Бэббидж стал одним из первых, кто попробовал автоматизировать труд этих людей.
Название «разностная машина» продиктовано характером ее работы, который заключается в получении последовательности промежуточных величин. В основу работы машины положен так называемый метод разностей, разработанный Исааком Ньютоном. Примером может служить вычисления произведения 5 и следующих за 5 в натуральном ряду чисел, то есть 6, 7, 8. По существу, метод разностей основывается на том, что уже вычислено значение произведения 5 на 5, и этот результат может быть использован для получения произведения 5 и следующих чисел путем прибавления 5 к известной сумме. Выглядит это следующим образом:
5 x 6 = 30;
5 x 7 = 35 (путем прибавления 5 к полученному произведению);
5 x 8 = 40 (путем прибавления 5 к произведению, полученному на предыдущем этапе).
Умножения заменяются на последовательные сложения. Если мы хотим рассчитать все элементы таблицы умножения, необходимо проделать значительную работу.
В разностной машине Бэббиджа данный принцип применен для решения степенных уравнений, что необходимо для решения множества научных задач. Эти уравнения состоят из переменных и констант, в них используются только операции сложения, вычитания и умножения, а их решениями могут быть положительные целые числа.
Позднее Бэббидж изобрел более универсальную машину, Analytical Engine, но при его жизни (он скончался в 1871 году) она была построена лишь частично. Это устройство должно было быть в состоянии рассчитать любую математическую формулу, хотя на практике это так и не было доказано: машина не была достроена. Шведский печатник Георг Шутц в 1854 году создал машину на основе проекта разностной машины Бэббиджа.
Вычисления в Difference Engine осуществляются путем сложных операций коленчатых рычагов и системы передаточных механизмов.
Калифорнийский музей не имеет и половины тех редкостей, подчас весьма эксцентричного свойства, которые представлены на постоянной экспозиции Лондонского музея науки, посвященной Бэббиджу, и которые хранятся здесь также трепетно, как прядь волос Наполеона, срезанная у императора на острове Святой Елены, или тсантсы, высушенные человеческие головы, — реликвии племени дживаро из Эквадора.
Викторианская эстетика, нашедшая свое воплощение в машине Бэббиджа, породила целое направление фантастики, именуемое «стимпанк». В книгах этого направления атрибуты прошлого, такие, например, как паровые машины, переплетаются с элементами фэнтези и научной фантастики. Работа Бэббиджа вдохновила культовых авторов Уильяма Гибсона и Брюса Стерлинга, мэтров жанра, на создание в 1990 году романа The Difference Engine. В романе изображен своего рода альтернативный викторианский мир, в котором создается машина Бэббиджа, в результате чего раньше почти на столетие, в XIX веке начинается информационная революция.